Python IO multiplex

服务器端编程经常需要构造高性能的IO模型，常见的IO模型有四种：

（1）同步阻塞IO（Blocking IO）：即传统的IO模型。

（2）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默认创建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK。注意这里所说的NIO并非Java的NIO（New IO）库。

（3）IO多路复用（IO Multiplexing）：即经典的Reactor设计模式，有时也称为异步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是这种模型。

（4）异步IO（Asynchronous IO）：即经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO。

 

同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式：同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行；而异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。

阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核IO操作的方式：阻塞是指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间；而非阻塞是指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成。

详细了参考转载的IO多路复用机制详解

IO多路复用

I/O多路复用指：通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。

Linux

Linux中的 select，poll，epoll 都是IO多路复用的机制。他们之间的区别参考另一篇博文 http://www.cnblogs.com/wjx1/p/5082640.html

 

Python

Python中有一个select模块，其中提供了：select、poll、epoll三个方法，分别调用系统的 select，poll，epoll 从而实现IO多路复用。

1. Windows Python：
2.     提供： select
3. Mac Python：
4.     提供： select
5. Linux Python：
6.     提供： select、poll、epoll

注意：网络操作、文件操作、终端操作等均属于IO操作，对于windows只支持Socket操作，其他系统支持其他IO操作，但是无法检测 普通文件操作 自动上次读取是否已经变化。

 

 

SocketServer模块

 

SocketServer内部使用 IO多路复用 以及 “多线程” 和 “多进程” ，从而实现并发处理多个客户端请求的Socket服务端。即：每个客户端请求连接到服务器时，Socket服务端都会在服务器是创建一个“线程”或者“进 程” 专门负责处理当前客户端的所有请求。

 

 

ThreadingTCPServer

 

ThreadingTCPServer实现的Soket服务器内部会为每个client创建一个 “线程”，该线程用来和客户端进行交互。

 

1、ThreadingTCPServer基础

 

使用ThreadingTCPServer:

 

• 创建一个继承自 SocketServer.BaseRequestHandler 的类
• 类中必须定义一个名称为 handle 的方法
• 启动ThreadingTCPServer

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
import SocketServerclass MyServer(SocketServer.BaseRequestHandler):def handle(self):# print self.request,self.client_address,self.serverconn = self.requestconn.sendall('欢迎致电 10086，请输入1xxx,0转人工服务.')Flag = Truewhile Flag:data = conn.recv(1024)if data == 'exit':Flag = Falseelif data == '0':conn.sendall('通过可能会被录音.balabala一大推')else:conn.sendall('请重新输入.')if __name__ == '__main__':server = SocketServer.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8009),MyServer)server.serve_forever()SocketServer实现服务器

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-import socketip_port = ('127.0.0.1',8009)
sk = socket.socket()
sk.connect(ip_port)
sk.settimeout(5)while True:data = sk.recv(1024)print 'receive:',datainp = raw_input('please input:')sk.sendall(inp)if inp == 'exit':breaksk.close()客户端

2、ThreadingTCPServer源码剖析

ThreadingTCPServer的类图关系如下：

 

内部调用流程为：

• 启动服务端程序
• 执行 TCPServer.__init__ 方法，创建服务端Socket对象并绑定 IP 和 端口
• 执行 BaseServer.__init__ 方法，将自定义的继承自SocketServer.BaseRequestHandler 的类 MyRequestHandle赋值给 self.RequestHandlerClass
• 执行 BaseServer.server_forever 方法，While 循环一直监听是否有客户端请求到达 ...
• 当客户端连接到达服务器
• 执行 ThreadingMixIn.process_request 方法，创建一个 “线程” 用来处理请求
• 执行 ThreadingMixIn.process_request_thread 方法
• 执行 BaseServer.finish_request 方法，执行 self.RequestHandlerClass()  即：执行 自定义 MyRequestHandler 的构造方法（自动调用基类BaseRequestHandler的构造方法，在该构造方法中又会调用 MyRequestHandler的handle方法）

实例：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
import SocketServerclass MyServer(SocketServer.BaseRequestHandler):def handle(self):# print self.request,self.client_address,self.serverconn = self.requestconn.sendall('欢迎致电 10086，请输入1xxx,0转人工服务.')Flag = Truewhile Flag:data = conn.recv(1024)if data == 'exit':Flag = Falseelif data == '0':conn.sendall('通过可能会被录音.balabala一大推')else:conn.sendall('请重新输入.')if __name__ == '__main__':server = SocketServer.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8009),MyServer)server.serve_forever()服务端

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-import socketip_port = ('127.0.0.1',8009)
sk = socket.socket()
sk.connect(ip_port)
sk.settimeout(5)while True:data = sk.recv(1024)print 'receive:',datainp = raw_input('please input:')sk.sendall(inp)if inp == 'exit':breaksk.close()客户端

源码精简：

import socket
import threading
import selectdef process(request, client_address):print request,client_addressconn = requestconn.sendall('欢迎致电 10086，请输入1xxx,0转人工服务.')flag = Truewhile flag:data = conn.recv(1024)if data == 'exit':flag = Falseelif data == '0':conn.sendall('通过可能会被录音.balabala一大推')else:conn.sendall('请重新输入.')sk = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sk.bind(('127.0.0.1',8002))
sk.listen(5)while True:r, w, e = select.select([sk,],[],[],1)print 'looping'if sk in r:print 'get request'request, client_address = sk.accept()t = threading.Thread(target=process, args=(request, client_address))t.daemon = Falset.start()sk.close()

如精简代码可以看出，SocketServer的ThreadingTCPServer之所以可以同时处理请求得益于 select 和 Threading 两个东西，其实本质上就是在服务器端为每一个客户端创建一个线程，当前线程用来处理对应客户端的请求，所以，可以支持同时n个客户端链接（长连接）。

ForkingTCPServer

ForkingTCPServer和ThreadingTCPServer的使用和执行流程基本一致，只不过在内部分别为请求者建立 “线程”  和 “进程”。

基本使用：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
import SocketServerclass MyServer(SocketServer.BaseRequestHandler):def handle(self):# print self.request,self.client_address,self.serverconn = self.requestconn.sendall('欢迎致电 10086，请输入1xxx,0转人工服务.')Flag = Truewhile Flag:data = conn.recv(1024)if data == 'exit':Flag = Falseelif data == '0':conn.sendall('通过可能会被录音.balabala一大推')else:conn.sendall('请重新输入.')if __name__ == '__main__':server = SocketServer.ForkingTCPServer(('127.0.0.1',8009),MyServer)server.serve_forever()服务端

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-import socketip_port = ('127.0.0.1',8009)
sk = socket.socket()
sk.connect(ip_port)
sk.settimeout(5)while True:data = sk.recv(1024)print 'receive:',datainp = raw_input('please input:')sk.sendall(inp)if inp == 'exit':breaksk.close()客户端

以上ForkingTCPServer只是将 ThreadingTCPServer 实例中的代码：

• server = SocketServer.ThreadingTCPServer(('127.0.0.1',8009),MyRequestHandler)
• 变更为

• server =SocketServer.ForkingTCPServer(('127.0.0.1',8009),MyRequestHandler)

SocketServer的ThreadingTCPServer之所以可以同时处理请求得益于 select 和 os.fork 两个东西，其实本质上就是在服务器端为每一个客户端创建一个进程，当前新创建的进程用来处理对应客户端的请求，所以，可以支持同时n个客户端链接（长连接）。

源码剖析参考 ThreadingTCPServer

Twisted

Twisted是一个事件驱动的网络框架，其中包含了诸多功能，例如：网络协议、线程、数据库管理、网络操作、电子邮件等。

事件驱动

简而言之，事件驱动分为二个部分：第一，注册事件；第二，触发事件。

自定义事件驱动框架，命名为：“弑君者”：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-# event_drive.py

event_list = []def run():for event in event_list:obj = event()obj.execute()class BaseHandler(object):"""用户必须继承该类，从而规范所有类的方法（类似于接口的功能）"""def execute(self):raise Exception('you must overwrite execute')最牛逼的事件驱动框架

程序员使用“弑君者框架”：

 

如上述代码，事件驱动只不过是框架规定了执行顺序，程序员在使用框架时，可以向原执行顺序中注册“事件”，从而在框架执行时可以出发已注册的“事件”。

基于事件驱动Socket

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
 
from twisted.internet import protocol
from twisted.internet import reactor
 
class Echo(protocol.Protocol):
    def dataReceived(self, data):
        self.transport.write(data)
 
def main():
    factory = protocol.ServerFactory()
    factory.protocol = Echo
 
    reactor.listenTCP(8000,factory)
    reactor.run()
 
if __name__ == '__main__':
    main()

程序执行流程：

• 运行服务端程序
• 创建Protocol的派生类Echo
• 创建ServerFactory对象，并将Echo类封装到其protocol字段中
• 执行reactor的 listenTCP 方法，内部使用 tcp.Port 创建socket server对象，并将该对象添加到了 reactor的set类型的字段 _read 中
• 执行reactor的 run 方法，内部执行 while 循环，并通过 select 来监视 _read 中文件描述符是否有变化，循环中...
• 客户端请求到达
• 执行reactor的 _doReadOrWrite 方法，其内部通过反射调用 tcp.Port 类的 doRead 方法，内部 accept 客户端连接并创建Server对象实例（用于封装客户端socket信息）和 创建 Echo 对象实例（用于处理请求） ，然后调用 Echo 对象实例的 makeConnection 方法，创建连接。
• 执行 tcp.Server 类的 doRead 方法，读取数据，
• 执行 tcp.Server 类的 _dataReceived 方法，如果读取数据内容为空（关闭链接），否则，出发 Echo 的 dataReceived 方法
• 执行 Echo 的 dataReceived 方法

从源码可以看出，上述实例本质上使用了事件驱动的方法 和 IO多路复用的机制来进行Socket的处理。